Oxyborates et nouveaux matériaux multifonctionnels – BORA-BORA

Le projet a reposé sur la synthèse de nouveaux composés par voie solide et l’association de techniques de caractérisations des structures cristallines et des propriétés physiques macroscopiques comme la polarisation électrique. Au niveau des caractérisations structurales, la diffraction de rayons X et de neutrons a été utilisée pour étudier les structures cristallines et magnétiques. La spectroscopie XANES a apporté des informations complémentaires nécessaires sur les états de valence des différents cations en présence.

Parmi les nombreuses compositions qui ont été synthétisées, le composé le plus prometteur en termes de propriétés multiferroïques est Cu2CrBO5, dans lequel une polarisation électrique de l’ordre de 35 µC/m2 a été mesurée en dessous de la température d’ordre magnétique, vers 120 K. Le mécanisme responsable est probablement du type « spin-driven ».
Le diagramme de phase magnétique du système Fe3-xMnxBO5 a été étudié, avec la synthèse de compositions présentant des propriétés magnétiques originales. Une modification des couplages magnétiques est observée avec l’augmentation du taux de Mn2+ ; l’anisotropie du type Ising est clairement un paramètre clé dans le régime découplé (x < 1.5).
En parallèle, les performances de certaines compositions pour des applications en tant qu’électrodes de haute densité énergétique dans les batteries lithium ont également été étudiées. Les résultats montrent d’intéressantes performances électrochimiques pour les composés du type Cu2MBO5 (M = Fe, Mn and Cr).

Au vu de la variété des oxydes de bore existants, dont seule une petite partie a été explorée, il est naturel de prolonger les recherches en se focalisant sur d’autres architectures structurales propres aux oxyborates.

Ces résultats ont conduit à la publication de trois articles dans des journaux scientifiques à comités de lecture, et ont été présentés plusieurs fois lors de conférences internationales.
Le projet Bora-Bora est un projet de recherche fondamentale coordonné par Françoise Damay du Laboratoire Léon Brillouin. Il associe Christine Martin du laboratoire CRISMAT et Lucie Nataf du Synchrotron SOLEIL. Le projet a commencé en octobre 2016 et a duré 36 mois. Il a bénéficié d’une aide ANR de 401 k€.

La multiferroicité dite « électronique » reste un domaine encore mal compris et donc sous-exploité. Pour trouver de nouveaux candidats ferroélectriques électroniques, et mieux comprendre les paramètres gouvernant leurs propriétés, un renouveau de l’effort des chimistes et physiciens du solide est primordial.
Dans ce contexte, et suite à la découverte d’un effet magnétoélectrique géant dans le composé à ordre de charge Fe2BO4, le projet BORA-BORA vise à synthétiser et caractériser de manière approfondie deux systèmes d’oxyborates, à structure warwickite et ludwigite. Combinant valence mixte de cations de métaux de transitions (di et trivalent) et caractère unidimensionnel du réseau des atomes magnétiques, deux ingrédients connus de la ferroélectricité électronique, ces deux types structuraux présentent un potentiel à exploiter dans la découverte de nouveaux systèmes multiferroïques. La structure ludwigite offre de plus la possibilité de jouer à la fois et sur la nature du substituant et sur le site sur lequel il ira se substituer préférentiellement.
BORA-BORA repose sur la synthèse de nouveaux composés et l’association de techniques de caractérisations à plusieurs échelles des structures cristallines et des propriétés physiques, au sein d’une collaboration multi-expertise des laboratoires Léon Brillouin, CRISMAT et du synchrotron SOLEIL. Au niveau des caractérisations structurales, les techniques de diffraction de rayons X, d’électrons et de neutrons seront utilisées pour étudier les structures cristallines, les phénomènes de surstructures liés à l’ordre de charge et les problèmes de non-centrosymétrie primordiaux dans les ferroélectriques. Les spectroscopies XAFS et XANES apporteront les informations complémentaires nécessaires sur les états de valence des différents cations en présence, le champ cristallin environnant, et éventuellement leur état de spin. Les mesures de constantes diélectriques et de la polarisation pyroélectrique seront une part importante des caractérisations physiques, et seront associées à l’étude des structures magnétiques par diffusion neutronique pour identifier les mécanismes des couplages magnétoélectriques. Les expériences de dichroïsme circulaire magnétique permettront de relier l’état de valence des ions sondés et le moment magnétique local.